JP5781403B2 - キャパシタプリチャージ回路、モータ駆動システム、電動パワーステアリングシステム、エアバッグシステム - Google Patents

Description

本発明は、キャパシタをプリチャージする回路に関する。

ＥＰＳ（電動パワーステアリング）システムは、モータに瞬間的に大電流を供給するため、電源回路内に大容量のキャパシタ（電解コンデンサ）が必要である。エアバッグシステムも同様に、自動車の衝突時にバッテリからの電力供給が途絶えても、エアバッグ内のスクイブに電流を流してエアバッグを発火できるように、大容量のキャパシタ（電解コンデンサ）からなるバックアップ電源回路を備えている。

電源をＯＮしたとき、上記キャパシタに対する突入電流がキャパシタを故障させる可能性があるため、突入電流を抑制しながら徐々に充電する、ソフトスタートプリチャージ回路が必要となる。

下記特許文献１では、切換回路２２が、プリチャージ経路５１と給電経路５２との間で回路接続を切り替えるプリチャージ回路が記載されている。

特開２００７−３３６６０９号公報

上記特許文献１のような従来のプリチャージ回路では、抵抗器を介して電流を制限しながらキャパシタを充電することにより、ソフトスタートプリチャージ回路を実現している。しかし、電流制限用抵抗器における損失（発熱）が大きいため大容量の抵抗器が必要となり、回路を集積化する上で支障がある。

具体的には、キャパシタＣ_０に電圧ＶＢを印加すると、電源から供給されるエネルギーＣ_０ＶＢ^２に対して、キャパシタＣ_０にはＣ_０ＶＢ^２／２なるエネルギーが蓄えられる。残りのＣ_０ＶＢ^２／２は、電流制限用抵抗器における損失（発熱）となる。充電初期のキャパシタＣ_０の両端電圧Ｖ_Ｃが低いうちに電圧ＶＢを突然印加すると、電位差ＶＢ−Ｖ_Ｃがキャパシタに加えられるため、上記損失（発熱）が生じる。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、キャパシタプリチャージ回路における損失（発熱）を低減させ、回路を小型化することを目的とする。

本発明に係るキャパシタプリチャージ回路は、スイッチドキャパシタ分圧回路を用いて電源電圧を分圧することにより、チャージ対象であるキャパシタの両端電圧を抑制しながら充電する。

本発明に係るキャパシタプリチャージ回路によれば、回路内の損失（発熱）を抑制し、回路を小型化することができる。

実施形態１に係るプリチャージ回路１０の概略回路図である。 スイッチドキャパシタ分圧回路１１が分圧用キャパシタを１つのみ備える場合の概略回路図である。 キャパシタＣ_０の両端に印加する電圧を切り替える変化の様子を示す図である。 Ｍｏｄｅ１とＭｏｄｅ２それぞれにおけるキャパシタＣ_０の両端電圧Ｖ_Ｃの変化を示す図である。 Ｍｏｄｅ２におけるキャパシタＣ_０と分圧用キャパシタＣ_１の接続形態を示す図である。 Ｍｏｄｅ１におけるキャパシタＣ_０と分圧用キャパシタＣ_１の接続形態を示す図である。 スイッチドキャパシタ分圧回路１１の詳細構成とＭｏｄｅ２における動作を示す図である。 スイッチドキャパシタ分圧回路１１の詳細構成とＭｏｄｅ１における動作を示す図である。 実施形態２に係るプリチャージ回路１０の概略回路図である。 実施形態２において、キャパシタＣ_０の両端に印加する電圧を切り替える変化の様子を示す図である。 Ｍｏｄｅ３におけるキャパシタＣ_０と分圧用キャパシタの接続形態を示す図である。 Ｍｏｄｅ２におけるキャパシタＣ_０と分圧用キャパシタの接続形態を示す図である。 Ｍｏｄｅ１．５におけるキャパシタＣ_０と分圧用キャパシタの接続形態を示す図である。 Ｍｏｄｅ１におけるキャパシタＣ_０と分圧用キャパシタの接続形態を示す図である。 実施形態２におけるキャパシタＣ_０の両端電圧Ｖ_Ｃの変化を示す図である。 実施形態２におけるスイッチドキャパシタ分圧回路１１の詳細構成とＭｏｄｅ３における動作を示す図である。 実施形態２におけるスイッチドキャパシタ分圧回路１１の詳細構成とＭｏｄｅ２における動作を示す図である。 実施形態２におけるスイッチドキャパシタ分圧回路１１の詳細構成とＭｏｄｅ１．５における動作を示す図である。 実施形態２におけるスイッチドキャパシタ分圧回路１１の詳細構成とＭｏｄｅ１における動作を示す図である。 実施形態３に係るプリチャージ回路１０の概略回路図である。 実施形態３におけるキャパシタＣ_０の両端電圧Ｖ_Ｃの変化を示す図である。 実施形態４に係るスイッチドキャパシタ分圧回路１１の制御回路例を示す図である。 実施形態４に係るスイッチドキャパシタ分圧回路１１の制御回路の別構成例を示す図である。 スイッチドキャパシタ分圧回路１１のスイッチング周波数ｆｓｗを可変にした場合における、両端電圧Ｖ_Ｃとキャパシタ充電電流Ｉ_Ｃの経時変化を示す図である。 スイッチング周波数ｆｓｗを図２４とは異なる態様で変化させた場合の例を示す図である。 スイッチング周波数ｆｓｗを図２４〜図２５とは異なる態様で変化させた場合の例を示す図である。 実施形態６に係るモータ駆動システム１００の構成図である。 実施形態７に係る電動パワーステアリングシステム２００の構成図である。 実施形態８に係るエアバッグシステム３００の構成図である。

＜実施の形態１＞
図１は、本発明の実施形態１に係るプリチャージ回路１０の概略回路図である。プリチャージ回路１０は、スイッチドキャパシタ分圧回路１１、コントローラ１２、スイッチＳＷ０を備える。ここではプリチャージ回路１０の概念を説明するため、回路全体の概略のみ示し、詳細な回路図については後述の図５以降で説明する。

バッテリ電圧ＶＢは、発電機またはバッテリから供給される電圧である。コントローラ１２は、スイッチドキャパシタ分圧回路１１とスイッチＳＷ０を制御する。スイッチＳＷ０は、バッテリ電圧ＶＢを負荷に直接供給するか否かを切り替えるスイッチである。スイッチドキャパシタ分圧回路１１は、電源電圧ＶＢをキャパシタＣ_０との間で分担することによって分圧する。これにより、キャパシタＣ_０の両端電圧Ｖ_Ｃを急激に大きくすることなく、キャパシタＣ_０を徐々に充電することができる。

具体的には、電源投入時にスイッチＳＷ０を開き、スイッチドキャパシタ分圧回路１１はバッテリ電圧ＶＢを分圧してキャパシタＣ_０に印加する。スイッチドキャパシタ分圧回路１１は、キャパシタＣ_０に電荷が蓄えられるにしたがって、分圧比を変えて段階的に高い電圧を印加してゆく。キャパシタＣ_０に電荷が蓄えられて両端電圧がＶＢに近づいた時点で、スイッチＳＷ０を閉じる。

図２は、スイッチドキャパシタ分圧回路１１が分圧用キャパシタを１つのみ（Ｃ_１）備える場合の概略回路図である。コントローラ１２は省略した。以下同様である。分圧用キャパシタが１つである場合は、キャパシタＣ_０の両端に印加する電圧を、ＶＢ／２とＶＢの２段階に切り替えることができる。

図３は、キャパシタＣ_０の両端に印加する電圧を切り替える変化の様子を示す図である。キャパシタＣ_０の両端電圧がＶＢ／２である状態をＭｏｄｅ２、両端電圧がＶＢである状態をＭｏｄｅ１と呼ぶことにする。図３のハッチング部分は、損失（発熱）に相当する領域を示す。

図４は、Ｍｏｄｅ１とＭｏｄｅ２それぞれにおけるキャパシタＣ_０の両端電圧Ｖ_Ｃの変化を示す図である。各Ｍｏｄｅにおいて、キャパシタＣ_０の両端電圧Ｖ_Ｃは、各Ｍｏｄｅにおいてある漸近値に落ち着く。以下では、各Ｍｏｄｅの漸近値について説明する。

図５は、Ｍｏｄｅ２におけるキャパシタＣ_０と分圧用キャパシタＣ_１の接続形態を示す図である。コントローラ１２は、Ｍｏｄｅ２において、キャパシタＣ_０と分圧用キャパシタＣ_１を直列接続した状態と並列接続した状態とを交互に繰り返す。これにより、バッテリ電ＶＢをＶＢ／２に分圧している。

実際には、図４に示すように、両端電圧Ｖ_ＣがＶＢ／２に漸近するのが観測されるだけで、厳密にはＶＢ／２なる電圧が生じるわけではない。しかし見方を変えれば、分圧用キャパシタＣ_１とキャパシタＣ_０を直列接続した状態で電源から供給された電荷ｑが、分圧用キャパシタＣ_１とキャパシタＣ_０を並列接続した状態で２倍の２ｑに変換されていることになるので、エネルギー保存則によればバッテリ電圧ＶＢをＶＢ／２に分圧していることと等価であるといえる。

分圧用キャパシタＣ_１の両端電圧をＶ_Ｃ１とすると、図５の左側の状態のときの各両端電圧は下記式１〜式２により求められる。
Ｖ_Ｃ＝Ｃ_０×ＶＢ／（Ｃ_０＋Ｃ_１） ・・・（式１）
Ｖ_Ｃ１＝Ｃ_１×ＶＢ／（Ｃ_０＋Ｃ_１） ・・・（式２）

このときキャパシタＣ_０と分圧用キャパシタＣ_１に蓄えられている電荷をそれぞれｑ_０、ｑ_１とし、図５の右側の状態のときにキャパシタＣ_０と分圧用キャパシタＣ_１に蓄えられている電荷の合計をｑ_ａｌｌとすると、下記式３が得られる。
ｑ_ａｌｌ＝ｑ_０＋ｑ_１
＝Ｃ_０×Ｃ_１×ＶＢ／（Ｃ_０＋Ｃ_１）＋Ｃ_０×Ｃ_１×ＶＢ／（Ｃ_０＋Ｃ_１）
＝２×Ｃ_０×Ｃ_１×ＶＢ／（Ｃ_０＋Ｃ_１） ・・・（式３）

このときのキャパシタＣ_０と分圧用キャパシタＣ_１の両端電圧をＶ_ａｌｌ（１）とすると、下記式４が得られる。
Ｖ_ａｌｌ（１）＝ｑ_ａｌｌ／（Ｃ_０＋Ｃ_１）
＝２×Ｃ_０×Ｃ_１×ＶＢ／（Ｃ_０＋Ｃ_１）^２ ・・・（式４）

図５の左側の状態と右側の状態をｋ回繰り返した後のキャパシタＣ_０と分圧用キャパシタＣ_１の両端電圧をＶ_ａｌｌ（ｋ）は、下記のように近似することができる。
Ｖ_ａｌｌ（ｋ＋１）
＝Ｖ_ａｌｌ（ｋ）＋Δｑ_ａｌｌ／（Ｃ_０＋Ｃ_１）
＝Ｖ_ａｌｌ（ｋ）＋２×Ｃ_０×Ｃ_１×（ＶＢ−２×Ｖ_ａｌｌ（ｋ））／（Ｃ_０＋Ｃ_１）^２
ここで、ｋ→∞とすると、Ｖ_ａｌｌ（∞）は収束するから、Δｑ_ａｌｌ→０となる。したがって、ＶＢ−２×Ｖ_ａｌｌ（∞）→０、すなわち、Ｖ_ａｌｌ（∞）→ＶＢ／２に収束する。

図６は、Ｍｏｄｅ１におけるキャパシタＣ_０と分圧用キャパシタＣ_１の接続形態を示す図である。図６の左側の状態では、スイッチＳＷ１を閉じて分圧用キャパシタＣ_１を電源側に接続するとともに、スイッチＳＷ２を開いてキャパシタＣ_０を電源から切り離している。図６の右側の状態では、スイッチＳＷ１を開いて各キャパシタを電源から切り離し、スイッチＳＷ２を閉じて分圧用キャパシタＣ_１とキャパシタＣ_０を並列接続する。この状態では、分圧用キャパシタＣ_１に蓄積された電荷がキャパシタＣ_０に移動する。

図６左右の状態を繰り返すことにより、アナログフィルタ等に使われる狭義のスイッチドキャパシタと同一の動作を実現することができる。この動作のスイッチング周波数をｆとすると、スイッチドキャパシタ分圧回路１１は、Ｒ＝１／（ｆＣ_１）なる抵抗と等価となる。

図５〜図６で説明したＭｏｄｅ２とＭｏｄｅ１を用いることにより、図４に示すようにキャパシタＣ_０の両端電圧Ｖ_Ｃは、まずＭｏｄｅ２においてＶＢ／２に漸近し、続いてＭｏｄｅ１においてＶＢに漸近する。両端電圧Ｖ_Ｃの電圧変化カーブを微視的に見ると、図４の吹き出し円内に示すように、スイッチング動作にともなって階段状に上昇する。

図７は、スイッチドキャパシタ分圧回路１１の詳細構成とＭｏｄｅ２における動作を示す図である。図７左右の状態は、それぞれ図５左右の状態に対応する。図７左側の状態では、スイッチＳＷ１とＳＷ４を閉じ、スイッチＳＷ２とＳＷ３を開いて、分圧用キャパシタＣ_１とキャパシタＣ_０を直列接続させる。図７右側の状態では、スイッチＳＷ２とＳＷ３を閉じ、スイッチＳＷ１とＳＷ４を開いて、分圧用キャパシタＣ_１とキャパシタＣ_０を並列接続させる。この動作を繰り返し実施して、Ｍｏｄｅ２の動作を実現する。

図８は、スイッチドキャパシタ分圧回路１１の詳細構成とＭｏｄｅ１における動作を示す図である。図８左右の状態は、それぞれ図６左右の状態に対応する。図８左側の状態では、スイッチＳＷ１とＳＷ３を閉じ、スイッチＳＷ２とＳＷ４を開いて、電源（ＶＢ）から供給される電荷を分圧用キャパシタＣ_１に蓄える。図８右側の状態では、スイッチＳＷ２とＳＷ３を閉じ、スイッチＳＷ１とＳＷ４を開いて、分圧用キャパシタＣ_１に蓄えられた電荷をキャパシタＣ_０に移す。この動作を繰り返し実施して、Ｍｏｄｅ１の動作を実現する。

＜実施の形態１：まとめ＞
以上のように、本実施形態１に係るプリチャージ回路１０は、スイッチドキャパシタ分圧回路１１を用いてバッテリ電圧ＶＢを分圧し、キャパシタＣ_０に徐々に電荷を蓄えることができる。これにより、ソフトスタートプリチャージ回路を実現することができる。

具体的には、スイッチドキャパシタ分圧回路１１により、キャパシタＣ_０の両端電圧Ｖ_Ｃと印加電圧との間の電位差を緩和することができるので、プリチャージ回路１０における損失（発熱）を削減することができる。

また、本実施形態１に係るプリチャージ回路１０は、分圧用キャパシタＣ_１とキャパシタＣ_０の間の接続形態を、Ｍｏｄｅ１とＭｏｄｅ２の間で切り替えることにより、キャパシタＣ_０の両端電圧Ｖ_Ｃを、ＶＢ／２とＶＢの２段階に切り替える。これにより、プリチャージ回路１０における損失（発熱）を１／２に低減することができる。

なお、キャパシタＣ_０の両端電圧を抑制する方法としては、損失を削減する観点から、チョッパを用いる方法、またはスイッチドキャパシタにより分圧する方法が考えられる。本発明のようにスイッチドキャパシタ分圧回路１１を用いることにより、チョークコイルが不要となるので、特に小電力の用途には本発明に係る手法が適していると考えられる。

＜実施の形態２＞
図９は、本発明の実施形態２に係るプリチャージ回路１０の概略回路図である。本実施形態２に係るプリチャージ回路１０は、分圧用キャパシタを２つ（Ｃ_１とＣ_２）備える。分圧用キャパシタが２つある場合は、分圧比が１／３であるＭｏｄｅ３、分圧比が１／２であるＭｏｄｅ２、分圧比が１であるＭｏｄｅ１を実現することができる。さらにキャパシタの組み合わせを工夫することにより、分圧比が２／３であるＭｏｄｅ１．５も実現することができる。

図１０は、本実施形態２において、キャパシタＣ_０の両端に印加する電圧を切り替える変化の様子を示す図である。本実施形態２では、両端電圧Ｖ_Ｃを４段階に変化させることができる。

図１１は、Ｍｏｄｅ３におけるキャパシタＣ_０と分圧用キャパシタの接続形態を示す図である。コントローラ１２は、Ｍｏｄｅ３において、キャパシタＣ_０と分圧用キャパシタ（Ｃ_１およびＣ_２）を直列接続した状態と、これら３つのキャパシタを互いに並列接続した状態とを交互に繰り返す。これにより、バッテリ電圧ＶＢをＶＢ／３に分圧している。

図１２は、Ｍｏｄｅ２におけるキャパシタＣ_０と分圧用キャパシタの接続形態を示す図である。コントローラ１２は、Ｍｏｄｅ２において、キャパシタＣ_０と分圧用キャパシタ（Ｃ_１およびＣ_２）を直列接続した状態と、これら３つのキャパシタを互いに並列接続した状態とを交互に繰り返す。図１２左側の状態では、分圧用キャパシタＣ_１とＣ_２は並列接続されている。これにより、バッテリ電圧ＶＢをＶＢ／２に分圧している。

図１３は、Ｍｏｄｅ１．５におけるキャパシタＣ_０と分圧用キャパシタの接続形態を示す図である。コントローラ１２は、Ｍｏｄｅ１．５において、キャパシタＣ_０と分圧用キャパシタ（Ｃ_１およびＣ_２）を直列接続した状態と、これら３つのキャパシタを並列接続した状態とを交互に繰り返す。図１３左側の状態では、分圧用キャパシタＣ_１とＣ_２は並列接続されている。図１３右側の状態では、分圧用キャパシタＣ_１とＣ_２は直列接続され、さらにこれら２つの分圧用キャパシタとキャパシタＣ_０は並列接続されている。これにより、バッテリ電圧ＶＢを２ＶＢ／３に分圧している。

図１４は、Ｍｏｄｅ１におけるキャパシタＣ_０と分圧用キャパシタの接続形態を示す図である。コントローラ１２は、Ｍｏｄｅ１において、キャパシタＣ_０を電源から切り離した上で分圧用キャパシタＣ_１およびＣ_２を並列接続した状態と、これら３つのキャパシタを互いに並列接続した状態とを交互に繰り返す。これにより、バッテリ電圧ＶＢをＶＢ／２に分圧している。

図１５は、本実施形態２におけるキャパシタＣ_０の両端電圧Ｖ_Ｃの変化を示す図である。図１５に示すように、本実施形態２によれば、両端電圧Ｖ_Ｃを低い電圧から高い電圧へ徐々に上昇させることにより、プリチャージ回路１０における損失（発熱）を減らすことができる。

図１６は、本実施形態２におけるスイッチドキャパシタ分圧回路１１の詳細構成とＭｏｄｅ３における動作を示す図である。図１６左右の状態は、それぞれ図１１左右の状態に対応する。図１６左側の状態では、スイッチＳＷ１、ＳＷ５、ＳＷ９を閉じ、スイッチＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ６、ＳＷ７、ＳＷ８を開いて、分圧用キャパシタ（Ｃ_１およびＣ_２）とキャパシタＣ_０を直列接続する。図１６右側の状態では、スイッチＳＷ２、ＳＷ６、ＳＷ７、ＳＷ８を閉じ、スイッチＳＷ１、ＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ５、ＳＷ９を開いて、各キャパシタを並列接続する。この動作を繰り返し実施して、Ｍｏｄｅ３の動作を実現する。

図１７は、本実施形態２におけるスイッチドキャパシタ分圧回路１１の詳細構成とＭｏｄｅ２における動作を示す図である。図１７左右の状態は、それぞれ図１２左右の状態に対応する。図１７左側の状態では、スイッチＳＷ１、ＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ９を閉じ、スイッチＳＷ２、ＳＷ５、ＳＷ６、ＳＷ７、ＳＷ８を開いて、分圧用キャパシタＣ_１およびＣ_２を並列接続した合成容量とキャパシタＣ_０を直列接続する。図１７右側の状態では、スイッチＳＷ２、ＳＷ６、ＳＷ７、ＳＷ８を閉じ、スイッチＳＷ１、ＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ５、ＳＷ９を開いて、各キャパシタを並列接続する。この動作を繰り返し実施して、Ｍｏｄｅ２の動作を実現する。

図１８は、本実施形態２におけるスイッチドキャパシタ分圧回路１１の詳細構成とＭｏｄｅ１．５における動作を示す図である。図１８左右の状態は、それぞれ図１３左右の状態に対応する。図１８左側の状態では、スイッチＳＷ１、ＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ９を閉じ、スイッチＳＷ２、ＳＷ５、ＳＷ６、ＳＷ７、ＳＷ８を開いて、分圧用キャパシタＣ_１およびＣ_２を並列接続した合成容量とキャパシタＣ_０を直列接続する。図１８右側の状態では、スイッチＳＷ２、ＳＷ５、ＳＷ８を閉じ、スイッチＳＷ１、ＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ６、ＳＷ７、ＳＷ９を開いて、分圧用キャパシタＣ_１とＣ_２を直列接続し、さらにこれら２つの分圧用キャパシタとキャパシタＣ_０を並列接続する。この動作を繰り返し実施して、Ｍｏｄｅ１．５の動作を実現する。

図１９は、本実施形態２におけるスイッチドキャパシタ分圧回路１１の詳細構成とＭｏｄｅ１における動作を示す図である。図１９左右の状態は、それぞれ図１４左右の状態に対応する。図１９左側の状態では、スイッチＳＷ１、ＳＷ４、ＳＷ７、ＳＷ８を閉じ、スイッチＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ５、ＳＷ６、ＳＷ９を開いて、キャパシタＣ_０を電源から切り離した上で分圧用キャパシタＣ_１およびＣ_２を並列接続する。図１９右側の状態では、スイッチＳＷ２、ＳＷ６、ＳＷ７、ＳＷ８を閉じ、スイッチＳＷ１、ＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ５、ＳＷ９を開いて、各キャパシタを並列接続する。この動作を繰り返し実施して、Ｍｏｄｅ１の動作を実現する。

＜実施の形態２：まとめ＞
以上のように、本実施形態２に係るプリチャージ回路１０は、２つの分圧用キャパシタを備え、分圧用キャパシタとキャパシタＣ_０の間の接続形態、および分圧用キャパシタ同士の接続形態を切り替える。これにより、４つの動作モードを実現し、両端電圧Ｖ_Ｃを４段階に切り替えて徐々に上昇させることができる。

＜実施の形態３＞
図２０は、本発明の実施形態３に係るプリチャージ回路１０の概略回路図である。図２０に示すように、（ａ）分圧用キャパシタＣ_１、Ｃ_２とキャパシタＣ_０を直列接続した状態、（ｂ）分圧用キャパシタＣ_１の電荷を、分圧用キャパシタＣ_２とキャパシタＣ_０を直列にした合成容量に移す状態、（ｃ）分圧用キャパシタＣ_２の電荷をキャパシタＣ_０に移す状態、の３状態を繰り返すことにより、バッテリ電圧ＶＢをＶＢ／６に分圧するＭｏｄｅ６を実現することができる。

図２１は、本実施形態３におけるキャパシタＣ_０の両端電圧Ｖ_Ｃの変化を示す図である。図２１に示すように、充電の最初の段階でＭｏｄｅ６を実施することにより、実施形態２よりもさらに損失（発熱）を減らすことができる。

＜実施の形態４＞
図２２は、本発明の実施形態４に係るスイッチドキャパシタ分圧回路１１の制御回路例を示す図である。各スイッチの構成および動作は、実施形態１〜３と同様である。

図２２に示す回路例において、スイッチドキャパシタ分圧回路１１は、シーケンサ１１１、カウンタ１１２、クロック１１３を備える。カウンタ１１２は、クロック１１３が出力する基準クロックにしたがって電源投入からの時間を計測し、所定の時間が経過するとモード切替信号１１４（例えば図２１のＭｏｄｅ１〜Ｍｏｄｅ６を切り替えるよう指示する信号）をシーケンサ１１１に出力する。シーケンサ１１１は、モード切替信号１１４が指定するモードにしたがって、スイッチ群ＳＷｎを開閉する。

図２３は、本実施形態４に係るスイッチドキャパシタ分圧回路１１の制御回路の別構成例を示す図である。図２３に示す回路例では、カウンタ１１２に代えて電圧検出器１１５を備える。電圧検出器１１５は、キャパシタＣ_０の両端電圧Ｖ_Ｃを検出し、その電圧が所定の値に達した時点でモード切替信号１１４をシーケンサ１１１に出力する。両端電圧Ｖ_Ｃは、キャパシタＣ_０に蓄えられている電荷に対応している。

図２３において、電圧検出器１１５は、キャパシタＣ_０の両端電圧に代えて分圧用キャパシタの端子電圧を測定するようにしてもよい。この場合、キャパシタＣ_０の両端電圧Ｖ_Ｃは、演算によって求めることができる。同様に、分圧用キャパシタに蓄えられている電荷を測定することもできる。

＜実施の形態４：まとめ＞
以上のように、本実施形態４に係るプリチャージ回路１０は、時間経過、分圧用キャパシタまたはキャパシタＣ_０の端子電圧、分圧用キャパシタまたはキャパシタＣ_０に蓄積されている電荷を基準として、スイッチドキャパシタ分圧回路１１のモードを切り替える。時間経過を基準とする場合は、電源投入時から所定時間が経過した時点でＭｏｄｅを切り替える。端子電圧または蓄積電荷を基準とする場合は、端子電圧を測定し、さらに必要に応じて各キャパシタのキャパシタンスを用いて蓄積電荷を算出し、これらの値が所定値に達した時点でＭｏｄｅを切り替える。あるいは、キャパシタＣ_０と分圧用キャパシタそれぞれに蓄積されている電荷の比が所定割合に達した時点でＭｏｄｅを切り替えてもよい。

図２２に示した回路例では、電圧検出器１１５が不要であるため、より簡単な回路でプリチャージ回路１０を構成することができる。これにより、回路の故障率を低減し、信頼性を上げることができる。一方、図２３に示した回路例では、ＶＢやＣ_０の定数変動により両端電圧Ｖ_Ｃが設計値通りでなくなった場合でも、変動に追従した動作を実施することができる。

以上の実施形態１〜４で説明したプリチャージ回路１０によれば、プリチャージ回路１０における損失（発熱）を低減することができるので、従来大容量の抵抗器を用いて構成していた回路を、小型のＬＳＩ（ＡＳＩＣ：特定用途向けＩＣ）などによって実現することができる。この場合、スイッチドキャパシタ分圧回路１１は１チップのＬＳＩに集積化することができるので、装置全体を小型化することができる。さらに、分圧用キャパシタはＬＳＩ外に外付けまたはＬＳＩに内蔵することができる。

＜実施の形態５＞
図２４は、スイッチドキャパシタ分圧回路１１のスイッチング周波数ｆｓｗを可変にした場合における、両端電圧Ｖ_Ｃとキャパシタ充電電流Ｉ_Ｃの経時変化を示す図である。プリチャージ回路１０の構成は、実施形態１〜４と同様である。図２４の充電電流Ｉ_Ｃを示すグラフにおいて、スイッチング周波数ｆｓｗを固定としたときの充電電流を破線、可変としたときの充電電流を実線で示している。

図２４に示す例では、充電電流Ｉ_Ｃが大きくなる各モードの初期段階において、コントローラ１２は、スイッチング周波数ｆｓｗを低くして充電電流ＩＣを抑えている。これにより、充電電流Ｉ_Ｃのピーク値を抑え、発熱が集中することを防ぐことができる。

図２５は、スイッチング周波数ｆｓｗを図２４とは異なる態様で変化させた場合の例を示す図である。図２５に示す例では、充電電流Ｉ_Ｃが小さくなる各モードの後半において、スイッチング周波数ｆｓｗを高くして充電電流Ｉ_Ｃを大きくしている。これにより、充電電流Ｉ_Ｃを制御してピーク値を抑え、発熱が集中することを防ぐとともに、モード後半で充電電流Ｉ_Ｃを大きくして充電時間を短縮することができる。

図２６は、スイッチング周波数ｆｓｗを図２４〜図２５とは異なる態様で変化させた場合の例を示す図である。図２６に示す例では、各モードの初期段階ではスイッチング周波数ｆｓｗを低くし、その後徐々に高くしている。

図２４〜図２６に示す例の他、スイッチドキャパシタ分圧回路１１を構成する半導体素子に温度センサを設け、温度センサが検出した温度に応じてスイッチング周波数ｆｓｗを変化させることもできる。例えば、コントローラ１２は、温度が高い時にはスイッチング周波数ｆｓｗを低くし、温度が低くなるにつれてスイッチング周波数ｆｓｗを高くして充電電流Ｉ_Ｃを抑え、発熱を抑制することができる。

＜実施の形態６＞
図２７は、本発明の実施形態６に係るモータ駆動システム１００の構成図である。モータ駆動システム１００は、実施形態１〜５で説明したプリチャージ回路１０の負荷としてモータ駆動回路１３とモータ１４を有する。スイッチドキャパシタ分圧回路１１を制御するコントローラ１２は、モータ駆動回路１３を制御するコントローラと共用することもできる。

電源投入時にはスイッチドキャパシタ分圧回路１１を介してキャパシタＣ_０に電荷を充電し、定常動作時にはスイッチＳＷ０を介して電荷をキャパシタＣ_０に充電する。キャパシタＣ_０に蓄えられたエネルギーは、瞬時に大きなエネルギーが必要なときにモータ駆動回路１３を介してモータ１４に供給される。

＜実施の形態７＞
図２８は、本発明の実施形態７に係る電動パワーステアリングシステム２００の構成図である。電動パワーステアリングシステム２００は、実施形態１〜５で説明したプリチャージ回路１０の負荷としてモータ駆動回路１３とモータ１４を有する。モータ１４は、電動パワーステアリングシステム２００の操舵機構１５を駆動する。
操舵機構１５は、瞬間的に大きな電力を必要とするので、本発明に係るプリチャージ回路１０を用いて充電したキャパシタＣ_０を有効に活用することができる。

＜実施の形態８＞
図２９は、本発明の実施形態８に係るエアバッグシステム３００の構成図である。エアバッグシステム３００は、実施形態１〜５で説明したプリチャージ回路１０の負荷としてスクイブ駆動回路１６とスクイブ１７を有する。

車が衝突するなどして衝撃を受けたときには、キャパシタＣ_０に蓄えられたエネルギーがスクイブ駆動回路１６を介してスクイブ１７に供給され、スクイブ１７を発火させてエアバッグを膨張させることができる。スクイブ１７は、瞬間的に大きな電力を必要とするので、本発明に係るプリチャージ回路１０を用いて充電したキャパシタＣ_０を有効に活用することができる。

１０：プリチャージ回路、１１：スイッチドキャパシタ分圧回路、１２：コントローラ、１３：モータ駆動回路、１４：モータ、１５：操舵機構、１６：スクイブ駆動回路、１７：スクイブ、１００：モータ駆動システム、２００：電動パワーステアリングシステム、３００：エアバッグシステム、Ｃ_０：キャパシタ、Ｃ_１およびＣ_２：分圧用キャパシタ、ＳＷ０〜ＳＷ９：スイッチ。

Claims (14)

1. 負荷に並列接続されたキャパシタを充電する回路であって、
   前記キャパシタに接続された分圧キャパシタと、
   前記キャパシタを電源に接続するか否かを交互に切り替える第１スイッチと、
   前記キャパシタと前記分圧キャパシタを並列接続するか、直列接続するかを切り替える第２スイッチと、
   を備え、
   前記第２スイッチはさらに、前記キャパシタと前記分圧キャパシタを並列接続するか、前記分圧キャパシタに前記電源を接続して電源電圧を印加するか、を切り替える
   ことを特徴とするキャパシタプリチャージ回路。
2. 前記キャパシタプリチャージ回路は、前記第２スイッチのスイッチング周波数に基づいて、前記キャパシタに流入する電流を制御する
   ことを特徴とする請求項１記載のキャパシタプリチャージ回路。
3. 前記分圧キャパシタを複数備え、
   前記第２スイッチは、前記複数の分圧キャパシタ同士の接続形態を切り替える
   ことを特徴とする請求項１または２記載のキャパシタプリチャージ回路。
4. 前記第２スイッチは、
   前記複数の分圧キャパシタのうち少なくともいずれか２つを、互いに並列接続するか直列接続するかを切り替える
   ことを特徴とする請求項３記載のキャパシタプリチャージ回路。
5. 前記第２スイッチの動作を制御するコントローラを備え、
   前記コントローラは、
   前記キャパシタの端子電圧が、電源投入時からの時間経過にともなって上昇するように、前記第２スイッチの動作を制御する
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載のキャパシタプリチャージ回路。
6. 前記第２スイッチの動作を制御するコントローラを備え、
   前記コントローラは、
   電源電圧に対して前記キャパシタが分担する割合を示す分圧比が、電源投入時からの時間経過にともなって上昇するように、前記第２スイッチの動作を制御する
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載のキャパシタプリチャージ回路。
7. 前記第２スイッチの動作を制御するコントローラを備え、
   前記コントローラは、
   電源から供給される電荷量に対して前記キャパシタに供給される割合を示す電荷変換比が、電源投入時からの時間経過または前記キャパシタの端子電圧が上昇するにともなって上昇するように、前記第２スイッチの動作を制御する
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載のキャパシタプリチャージ回路。
8. 前記第２スイッチの動作を制御するコントローラを備え、
   前記コントローラは、
   前記第２スイッチが前記キャパシタを電源に接続するか否かを切り替える周波数を、前記キャパシタを充電する間に変化させる
   ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項記載のキャパシタプリチャージ回路。
9. 前記コントローラは、
   前記第２スイッチが前記キャパシタと前記分圧キャパシタの間の接続形態を切り替えた時点における前記周波数を、前記第２スイッチが前記キャパシタと前記分圧キャパシタの間の接続形態を切り替えてから所定時間経過した時点で、それ以前よりも高くする
   ことを特徴とする請求項８記載のキャパシタプリチャージ回路。
10. 前記コントローラは、
    前記キャパシタプリチャージ回路の温度が高くなるにともなって、前記周波数を低くする
    ことを特徴とする請求項８または９記載のキャパシタプリチャージ回路。
11. 前記第２スイッチは、複数のサブスイッチによって構成されており、
    前記複数のサブスイッチは、同一の半導体素子内に実装されている
    ことを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項記載のキャパシタプリチャージ回路。
12. 請求項１から１１のいずれか１項記載のキャパシタプリチャージ回路と、
    前記キャパシタに並列接続されたモータ駆動回路と、
    を備えることを特徴とするモータ駆動システム。
13. 請求項１から１１のいずれか１項記載のキャパシタプリチャージ回路と、
    前記キャパシタに並列接続されたモータ駆動回路と、
    前記モータ駆動回路によって駆動されるモータと、
    前記モータによって駆動される操舵機構と、
    を備えたことを特徴とする電動パワーステアリングシステム。
14. 請求項１から１１のいずれか１項記載のキャパシタプリチャージ回路と、
    前記キャパシタに並列接続されたスクイブ駆動回路と、
    前記スクイブ駆動回路によって駆動されるスクイブと、
    を備えたことを特徴とするエアバッグシステム。

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